供稿|周杰，史和生，楊文芬，史航，王高天

內(nèi)容導讀

在全球工業(yè)和經(jīng)濟飛速發(fā)展的時代背景下，單一組元的金屬材料越來越難滿足嚴苛的使用環(huán)境。于是科研工作者研究出一種將2 種或2 種以上的金屬材料組合到一起，制成金屬復合板再加工成設(shè)備的方法，使其能夠在高溫重載、強酸強堿等極端工況條件下使用。金屬復合板兼具基板和復板兩種材料的性能，降低了稀貴金屬使用量，在石油化工、海洋船舶、電力環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了目前金屬復合板加工領(lǐng)域主流的3 種復合工藝的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并分析了它們的優(yōu)缺點。最后作者指出隨著研究的不斷深入，實現(xiàn)多種、多層先進功能結(jié)構(gòu)一體化材料的有效組合，是金屬復合板加工技術(shù)未來發(fā)展的重點方向。

進入21 世紀后，單一組元金屬材料的性能已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展的需求，而金屬復合板作為替代產(chǎn)品不僅兼具基板和復合板各自的優(yōu)點，而且大幅度減少了稀貴金屬的使用量，降低了生產(chǎn)成本，具有極高的性價比，在艦艇船舶、海洋工程、石化裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鈦/鋼、哈氏合金/鋼、超級奧氏體不銹鋼/鋼等高性能功能金屬復合板及加工成型技術(shù)是《國家新材料發(fā)展指南》明確指出的高新技術(shù)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，也是各省市重點支持的前沿新材料產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)。本文介紹了爆炸、軋制和爆炸+軋制3 種復合技術(shù)國內(nèi)外研究進展及其優(yōu)缺點，探索高性能功能金屬復合板加工技術(shù)未來發(fā)展的方向，以期對后續(xù)新型金屬復合板及其制造工藝的研發(fā)產(chǎn)生一定的指導作用。

爆炸復合技術(shù)

爆炸復合工藝原理及優(yōu)點

爆炸復合法是指將2 種或2 種以上的金屬板疊放在一起，然后利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊作用，使得復板與基板之間形成冶金結(jié)合[1-2]。圖1 為平行放置法爆炸焊接復合板安裝示意圖，圖2 為爆炸焊接復合板生產(chǎn)工藝流程示意圖。大量研究結(jié)果表明，爆炸焊接技術(shù)具備諸多優(yōu)點，其中最大的優(yōu)點體現(xiàn)在2 個方面：(1)生產(chǎn)工藝簡單，能夠使熱膨脹系數(shù)差異較大的金屬牢固組合在一起；(2)由于爆炸焊接過程極短，瞬時產(chǎn)生高溫高壓，避免了金屬間化合物的產(chǎn)生，使得復合板具有較高的界面結(jié)合強度和優(yōu)良的后續(xù)加工性能。

爆炸復合工藝的發(fā)展歷史

爆炸復合的理論最早由美國科學家Carl 提出，而第一次爆炸焊接試驗則由美國科學家Philichuk 在1959 年完成，他成功制備出世界上第一塊爆炸焊接鋁/鋼復合板[3-4]。我國則于1963 年開始研究爆炸成型工藝，在中科院力學研究所等部門的通力合作下，3 年后成功研發(fā)出我國第一塊爆炸焊接試驗板，并于1968 年將爆炸焊接技術(shù)正式用于工業(yè)生產(chǎn)中[5-6]。此后，大連爆炸加工研究所在1970 年開展了海軍艦艇換熱器用爆炸焊接金屬復合板的研發(fā)并取得成功，首次實現(xiàn)了爆炸焊接技術(shù)在軍工產(chǎn)品上的應(yīng)用[7]。在近60 年的發(fā)展和研究過程中，我國爆炸復合技術(shù)日益更新，不斷成熟，陸續(xù)開展了80 多種材料組合方面的爆炸焊接產(chǎn)品開發(fā)工作，成功研發(fā)出不銹鋼/鋼[8]、鈦/鋼[9]、鈦/鋼/鈦[10]等30 多種爆炸焊接金屬復合板。據(jù)統(tǒng)計，2014 年我國爆炸焊接復合板產(chǎn)能就已經(jīng)突破100 萬t[11]，產(chǎn)品具有薄型、力學強度不減等優(yōu)良的綜合性能，遠銷海外。

爆炸復合工藝的研究現(xiàn)狀

當前爆炸復合工藝的研究熱點有低爆速低猛度炸藥配方與制備、雙面多塊同步爆炸復合工藝研發(fā)等。在臨界爆速炸藥配方與制備方面，安徽理工大學研制了低密度、高爆速的膨化硝銨炸藥，有效避免了因爆轟荷載過大而產(chǎn)生界面過熔或開裂失效等問題的出現(xiàn)[12]。江蘇潤邦新材料公司和中國人民解放軍陸軍工程大學在“產(chǎn)學研”合作中，利用ANSYS 軟件分析了爆轟波、波速等關(guān)鍵參數(shù)對多塊復合板位置、間距的影響，獲得了多板復合位置和間距參數(shù)理論模型，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了多點多塊金屬板材同時爆炸焊接方法[13]，復合板安裝示意圖如圖3 所示。雙立爆炸法與傳統(tǒng)的平行放置法布藥方式相比，可節(jié)省20%的炸藥用量，實現(xiàn)了爆炸復合工藝的高效化生產(chǎn)，圖4 為江蘇潤邦新材料公司運用雙立式爆炸焊接法制備出的哈氏合金/鋼(C276/Q345R)復合板。

爆炸復合工藝存在的問題

近年來，隨著壓力容器等設(shè)備往大型化、專業(yè)化方向發(fā)展，大幅面復合板呈現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，然而市場的火爆卻讓生產(chǎn)爆炸焊接復合板的企業(yè)面臨著非常棘手的問題。理論上爆炸焊接技術(shù)可生產(chǎn)任意尺寸的復合板，但復合板尺寸越大，意味著爆轟波需要傳遞到更遠距離。金屬復合板爆炸焊接過程中爆轟穩(wěn)定性是決定爆炸焊接質(zhì)量的重要因素之一[14-15]，而爆轟穩(wěn)定性隨著板幅面積的增加而衰減，導致大幅面復合板在爆炸復合的過程中常常存在邊部不貼合等質(zhì)量問題。若采用小板幅復合板拼焊成大板幅，則不僅會增加生產(chǎn)成本，壓縮訂單利潤，而且焊縫接頭處容易開裂，使整板的剪切強度下降，對于企業(yè)來說實在是兩難的選擇。

此外，隨著產(chǎn)品尺寸的增大，使用的炸藥量也會成倍增加。原來16 m2爆炸復合板使用的炸藥量為600～700 kg；當面積增至25 m2后，炸藥用量已達到900～1000 kg[16]。炸藥量的增加會帶來一系列問題，首先民用炸藥的管理較為復雜，雖然有管理條例對炸藥的生產(chǎn)和使用進行了嚴格的限定，但是在炸藥的拌和等方面還存在著安全問題，炸藥量的增加會加大危險發(fā)生的概率。其次，爆炸產(chǎn)生的沖擊波、噪聲、粉塵等環(huán)境污染問題隨著起爆藥量成比例的提高而變得愈發(fā)嚴重，使爆炸加工企業(yè)受到更多的限制。因此，如何減少炸藥的使用量，提高爆炸復合工藝的機械化水平，從而推動爆炸焊接工業(yè)技術(shù)進步，是未來幾年爆炸加工企業(yè)需要重點思考的兩個問題。

軋制復合技術(shù)

軋制復合工藝原理及優(yōu)點

軋制復合工藝屬于金屬塑性加工工藝，其原理即“薄膜破裂理論”，具體是指將2 種或2 種以上的金屬材料待復合表面清理干凈并疊放在一起后，通過軋機的壓力作用，使得待復合面金屬表層薄膜破碎，露出新鮮光潔的金屬，從而實現(xiàn)2 種金屬之間的緊密結(jié)合[17-18]。圖5 為軋制復合板生產(chǎn)工藝流程圖。軋制復合工藝的優(yōu)勢主要有：(1)不受氣候、環(huán)境等外界因素影響，可規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)；(2)生產(chǎn)效率高、交貨周期短；(3)產(chǎn)品幅面大，厚度可自由組合等。

軋制復合工藝的研究現(xiàn)狀

20 世紀50 年代美國率先開始研究軋制復合理論，并提出軋制的核心工藝是表面處理、軋制復合和退火3 個步驟[19]。隨后，前蘇聯(lián)和歐美等發(fā)達國家也陸續(xù)進行了軋制復合工藝的研究。Abbasi 和Toroghinejad[20]認為復合板界面結(jié)合強度與軋制溫度、首道次壓下率成正比，而與軋制速度成反比。Mohamed 和Washburn[21]研究表明軋制復合板界面結(jié)合強度不僅受軋制工藝參數(shù)的影響，還與金屬間硬度差異等材料本身理化性能相關(guān)。Manesh 和Shahabi[22]研究了總壓下量、軋制道次和摩擦因數(shù)等參數(shù)對界面結(jié)合質(zhì)量的影響，并表示“薄膜破裂理論”相比“再結(jié)晶理論”能夠更好地解釋復雜的軋制復合機理。

軋制復合工藝的分類

目前軋制金屬復合板制備方法主要分為熱軋復合法、冷軋復合法、異步軋制復合法和真空軋制復合法4 大類[23]。

熱軋復合法

將組合好的金屬坯料加熱到指定溫度后送入軋機，在高溫高壓下，坯料發(fā)生塑性變形，使得異種金屬間能夠牢固焊合的工藝方法稱為熱軋復合法[24]。該工藝自20 世紀50 年代問世以來，發(fā)展到今天，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)已經(jīng)相當成熟。由于坯料是在高溫下進行軋制，因此熱軋復合法存在2 個明顯的缺點：(1)在高溫加熱過程中，坯料待復合面極易氧化，影響界面結(jié)合質(zhì)量，嚴重時出現(xiàn)界面脫層，導致產(chǎn)品報廢；(2)當復合板終軋溫度有嚴格限定時，為了保證軋制溫度滿足要求，坯料連續(xù)軋制的長度同樣被嚴格限制。

冷軋復合法

由于熱軋復合法是高溫軋制且并無保護氣氛，軋制過程中界面容易氧化并產(chǎn)生金屬間脆性化合物，難以對界面復合效果進行有效控制。因此，針對熱軋復合法的不足，美國在20 世紀60 年代首先提出“大變形復合+擴散退火”理論，開始研究冷軋復合法。

冷軋復合工藝通常分兩步完成，第一步在室溫下將坯料送入軋機，在軋機強大的壓力作用下，層疊在一起的金屬產(chǎn)生原子結(jié)合，使復合界面達到一定的強度。第二步將軋好的坯料進行低溫長時間熱處理，保證復合界面獲得穩(wěn)定的性能[25-26]。與熱軋復合的高溫高壓不同，冷軋是在室溫下完成的，避免了界面高溫氧化。美中不足的是，冷軋復合工藝最顯著的特點是首道次壓力率高達70%左右，極大的變形率對軋機來說是個巨大的挑戰(zhàn)，同時，軋制成材率、一次軋制復合率較低等問題一定程度上也限制了冷軋復合法的推廣使用。

異步軋制復合法

雖然冷軋法具有致命的缺陷，但是“即組(坯)即軋(制)，無需加熱”的優(yōu)點令許多學者念念不忘，不斷嘗試找出解決冷軋法完成大變形方面能力不足的方案。20 世紀80 年代初，研究者們將冷軋復合的原理進行改良演變，提出了一種新興的板材軋制生產(chǎn)思路——“異步軋制工藝”。該法的特征是依靠改變軋機上下輥輥徑和轉(zhuǎn)速，使上下輥輥速產(chǎn)生差異，然后充分利用輥速不同給坯料帶來的“搓揉”作用，加速金屬原子間的擴散，降低軋制壓力，增大軋制變形量[27-28]。

若采用異步軋制法制備鋼/鋁復合板，其界面剪切強度最好可達100 MPa，比采用常規(guī)同步軋制方法提高了2 倍左右，同時將軋制壓力降低至原來的1/2，減小了對軋機的損壞[29]。研究結(jié)果表明：軋輥輥速不同產(chǎn)生的剪切作用，使得薄板材料冷復合時，在較小的軋制壓力作用下獲得了結(jié)合強度較高的冷軋復合板。雖然國內(nèi)外學者對異步軋制已經(jīng)開展了40 余年的研究工作，取得了頗為豐富的研究成果，但不同金屬間軋制異步比、軋制變形規(guī)律等一些關(guān)鍵技術(shù)問題尚未得到充分論證，導致無法進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

真空軋制復合法

無論是熱軋復合還是冷軋復合工藝，軋制過程中坯料結(jié)合界面都會發(fā)生一定程度的氧化，阻礙金屬間的結(jié)合，只是熱軋過程氧化情況更嚴重。有鑒于此，前蘇聯(lián)科學家在1955 年針對易氧化金屬間的復合率先開始研究真空軋制工藝，并取得重大突破。緊接著，德國、日本、美國等發(fā)達國家爭相開展此項技術(shù)的研發(fā)。30 年后，日本JFE 公司在1985 年將真空電子束焊接技術(shù)與熱軋法融合在一起，組成了相對成熟的真空軋制法[30-32]。除了在真空室進行坯料組裝焊接外，還可以采用小孔抽真空制坯的方法，利用機械泵將坯料內(nèi)部空氣抽出，使真空度達到10-2Pa，其復合板板坯焊接封裝預處理流程如圖6 所示。圖7 所示為江蘇潤邦新材料公司采用小孔抽真空制坯再熱軋的復合方法生產(chǎn)的304L/Q345R 復合板。

與室外作業(yè)的爆炸復合法相比，真空軋制法生產(chǎn)效率更高、對環(huán)境幾乎零污染，可生產(chǎn)板寬超過3000 mm 的薄復層金屬復合板。其中小孔抽真空熱軋復合法工藝簡單、無需斥巨資建設(shè)高真空生產(chǎn)車間，生產(chǎn)成本相對較低，適用于中小型企業(yè)；而真空室制坯再熱軋的復合工藝，不僅能夠讓界面保持高真空狀態(tài)，得到較高的界面強度和成材率，而且真空電子束焊接與手工埋弧焊相比，焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余應(yīng)力小，國內(nèi)南鋼、濟鋼等大型國有鋼廠利用真空室制坯熱軋復合技術(shù)(VRC)成功制備了鈦/鋼復合板[33]，產(chǎn)品性能優(yōu)異，界面復合率達到了99%，剪切強度超過200 MPa，高于國家相關(guān)標準，說明真空軋制復合法有效阻礙了金屬間氧化物的形成，大幅度提高了界面結(jié)合強度。表1 為爆炸焊接和軋制復合2 種工藝優(yōu)缺點對比表。

表1 爆炸復合和軋制復合2 種工藝簡要對比總結(jié)

爆炸+軋制復合技術(shù)

截止到目前，爆炸焊接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可生產(chǎn)數(shù)十種甚至上百種金屬組合的層狀復合板，但是對于大板幅、厚度較薄和表面質(zhì)量要求較高的金屬復合板，爆炸焊接法顯得“捉襟見肘”；而軋制復合技術(shù)雖然能夠生產(chǎn)大板幅和薄復層金屬復合板，但是軋制復合板組元成分的種類以及界面結(jié)合強度往往沒有爆炸復合板高。因此，在綜合爆炸以及軋制法的優(yōu)點后，學者們提出了一種新的聯(lián)合技術(shù)：爆炸+軋制復合法，即將基板和復板先通過爆炸法制成較厚的坯料，再利用軋機將坯料熱軋成所需的尺寸。該法的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)爆炸法制坯能夠保證界面具有良好的結(jié)合強度；(2)后續(xù)的軋制工藝既進一步增加了界面抗剪強度，又能夠保證復合板成品具有良好的表面質(zhì)量。而爆炸+軋制復合法的缺點則是工序繁瑣、生產(chǎn)成本高[34-35]。

需要注意的是，由于爆炸焊接在前，因此爆炸工藝參數(shù)的確定對于整板質(zhì)量尤為重要。若參數(shù)選擇不當，產(chǎn)生大波狀結(jié)合界面，導致界面處出現(xiàn)部分未結(jié)合區(qū)域，則會對后續(xù)的熱軋?zhí)幚韼硪幌盗新闊?，主要體現(xiàn)在基復層材料不能夠同時變形，未結(jié)合區(qū)域在軋制過程中面積逐漸擴大，嚴重時甚至導致基復層脫落[36]。所以，在選擇爆炸焊接參數(shù)時，盡量使結(jié)合界面出現(xiàn)均勻的微小波狀。

而軋制工藝參數(shù)的選擇同樣很重要，此處以用爆炸+軋制復合法生產(chǎn)鈦/鋁復合板為例。因為鈦、鋁本身變形抗力較大，加上前道的爆炸復合工藝使結(jié)合界面存在“黏滯效應(yīng)”，軋制過程中易變形金屬鋁牽引著難變形金屬鈦一起流動變形，如果軋制速度過快，變形量較大，產(chǎn)生不均勻變形，則會使鈦板表層出現(xiàn)裂縫，影響表面質(zhì)量。

除了爆炸、軋制以及爆炸+軋制這3 種復合技術(shù)外，金屬復合板的制造工藝還有很多，比如堆焊復合法、離心鑄造復合法等，礙于本文篇幅，此處不再贅述。

結(jié)論與展望

采用高耐蝕材料是軍用艦艇船舶、耐強酸反應(yīng)釜、核電用大回路管、電力脫硫煙囪等關(guān)鍵部件提高壽命的主要手段。因此，兼有高耐蝕性能及高性價比的金屬復合板材市場需求廣闊。目前國內(nèi)外生產(chǎn)金屬復合板的方法有很多，但使用頻次較高的無外乎爆炸焊接法、軋制法以及爆炸+軋制法這3 大類復合工藝，它們各有優(yōu)缺點。對于企業(yè)來說，選擇合適的復合方法，有助于降低生產(chǎn)成本的同時，提高復合板整體性能。在持續(xù)不斷地探索中，金屬復合工藝研究雖然取得了豐富的研究成果，但同時還有許多關(guān)鍵問題需要科研工作者去思考，比如如何解決熱軋過程中界面氧化問題，如何提高冷軋復合板的成材率等等。隨著生產(chǎn)設(shè)備不斷更新和技術(shù)理論不斷發(fā)展，實現(xiàn)多種、多層先進功能結(jié)構(gòu)一體化材料的有效組合，是金屬復合板加工技術(shù)未來發(fā)展的重點方向。